红外焦平面阵列技术现状和发展趋势

方面。

1、自积分型读出电路（SI ROIC）　

在所有读出电路结构中，自积分（SI）电路（图3）最为简单，仅有一个 MOS 开关元件，其象元面积可以做得很小。在 SI 电路中，光生电流（或电荷）直接在与探测器并联的电容上积分，然后通过多路传输器输出积分信号。此读出电路的输出信号通常是取其电荷而非电压，其后接电荷放大器，在每帧结束时需由象元外的电路对积分电容进行复位。积分电容主要为探测器自身的电容，但也包括与之相连的一些杂散电容。在某些探测器中，此电容可能是非线性的（如光电二极管的结电容），随积分电荷的增加，其会造成探测器的偏置发生变化，可能引起输出信号的非线性。该电路的另一个缺点是无信号增益，易受多路传输器和列放大器的噪声干扰。

2、源随器型读出电路（SFD ROIC）

为了给多路传输器提供电压信号，并增加驱动能力，往往在 SI 后加缓冲放大器。实现此功能的通常方法是在每个探测器后接一MOSFET 源随器（SFD），即构成源随器型读出电路（图4）。源随器型读出电路是一种直接积分的高阻抗放大器，探测器偏压由复位电平决定，故不存在探测器偏压初值不均匀的问题，但偏压会随积分时间和积分电流变化，引起探测器偏置变化。SFD电路在很低背景下具有较满意的信噪比，但在中、高背景下，与 SI 读出电路一样，其也有严重的输出信号非线性问题。复位 MOS 开关会带来 KTC 噪声，而源随器 MOS 管的 1/f 噪声和沟道热噪声也是主要的噪声源。

3、直接注入读出电路（DI ROIC）
直接注入（DI）电路（图5）是第二代探测器（即探测器阵列）使用最早的读出前置放大器之一。它首先用于 CCD 红外焦平面阵列，现也用于 CMOS 红外焦平面阵列。在此电路中，探测器电流通过注入管向积分电容充电，实现电流到电压的转换，电压增益的大小主要与积分电容的大小有关，当然也受电源电压的限制。此电路在中、高背景辐射下，注入管的跨导（g_m）较大，这主要是因积分电流较大的缘故。此时，读出电路输入阻抗较低，光生电流的注入效率相对较高。在低背景下，因注入管的跨导减小，使读出电路的输入阻抗增大，会降低光生电流的注入效率。在一定的范围内，DI 电路的响应基本上是线性的。但因各象元注入管阈值电压的不均匀性，会在焦平面阵列输出信号中引入空间噪声，因而抑制焦平面阵列的空间噪声是一个非常棘手的问题。

4、反馈增强直接注入读出电路（FEDI ROIC）
反馈增强直接注入电路（FEDI）以 DI 读出电路为基础，在注入管栅极和探测器间跨接一反相放大器（图6），其目的是在低背景下，进一步降低读出电路的输入阻抗，从而提高注入效率和改善频率响应。视反馈放大器的增益不同，FEDI的最小工作光子通量范围可以比 DI 低一个或几个数量级，响应的线性范围也比 DI 的更宽。但象元的功耗和面积也随之增加了，面积的增加对现在日益发展的光刻技术并非什么大问题，但功耗的增大就很不利。

5、电流镜栅调制读出电路（CM ROIC）
电流镜栅调制电路（CM）可使读出电路在更高的背景辐射条件下工作（图7）。通常，读出电路的积分电容是在象元电路内，因受面积的限制，故不可能做得很大。在高背景的应用中，很大的背景辐射电流可使积分电容电压很快地处于饱和状态，从而使读出电路失去探测信号的功能。CM 读出电路可避免这种情况的发生，这种电路的电流增益与探测器输出电流的平方根成反比例关系，即随探测器输出电流的增大，电流增益自动减小。但是，CM 电路不能为探测器提供稳定和均匀的偏置，其响应也是非线性的。因而，此读出电路的总体性能受限。

6、电阻负载栅调制读出电路（RL ROIC）
电阻负载栅极调制电路（RL）的构造思想和目的与 CM 几乎一样（图8），其效果也差不多，只是因用电阻替代了 MOS 管，可使象元 1/f 噪声更小，并提高了探测器偏压的均匀性。由于大电阻的制造与数字 CMOS 工艺是不兼容的，RL 的阻值不可能很大。此外，因电路结构的原因，当探测器电流很小时，此读出电路的均匀性和线性度都相当差。在大多数的应用中，需要对其输出增益和偏移进行校正才能获得满意的效果，故此类读出电路不见常用。

7、电容反馈跨阻抗放大器（CTIA ROIC）
CTIA 是由运放和反馈积分电容构成的一种复位积分器（图9），探测器电流在反馈电容上积分，其增益大小由积分电容确定。它可以提供很低的探测器输入阻抗和恒定的探测器偏置电压，在从很低到很高的背景范围内，都具有非常低的噪声。且输出信号的线性度也很好。此电路的功耗和芯片面积较一般的电路大，复位开关也会带来 CKT 噪声，这也许是它众多优良性能中的一点不足之处。